靳睿敏，郭藝，楊會贇，車磊，徐文璞，甄衛(wèi)民

(1.中國電波傳播研究所,電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室,山東 青島 266107；2.西安電子科技大學(xué),西安 710071；3.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)信號落地功率低，極易受到干擾，小功率的干擾就能影響數(shù)公里范圍的衛(wèi)星導(dǎo)航信號[1].影響GNSS 的干擾主要包括：非故意干擾和故意干擾.非故意干擾主要源于生產(chǎn)生活中所使用的電子系統(tǒng)，故意干擾由人為產(chǎn)生，按照干擾手段，故意干擾又可分為壓制式干擾和欺騙式干擾.

在大多數(shù)國家，盡管干擾機的使用是違法的，但廉價的干擾機能夠使貨車司機、租車者等避免對其位置的監(jiān)控，這使得近些年來衛(wèi)星導(dǎo)航干擾案例頻發(fā)，對衛(wèi)星導(dǎo)航的各種軍民應(yīng)用造成了嚴重的威脅.衛(wèi)星導(dǎo)航干擾的頻發(fā)和對各種衛(wèi)星導(dǎo)航造成的嚴重影響受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注.

排除干擾源，首先要對干擾進行檢測、識別和定位.但是衛(wèi)星導(dǎo)航信號弱，到達接收機天線較低功率的干擾能對衛(wèi)星導(dǎo)航造成影響，通用的頻譜監(jiān)測設(shè)備無法實現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)生影響的弱干擾的監(jiān)測，以GPS 信號C/A 碼為例，落地功率為-130 dBm，通常的接收機捕獲要求載噪比(C/N0)約30 dB·Hz.因此，要求噪聲功率譜密度為-160 dBm/Hz，即高于-160 dBm/Hz的噪聲就對信號的捕獲有干擾.然而，通常頻譜監(jiān)測的靈敏度為-150 dBm/Hz，所以采用頻譜監(jiān)測的方法大約有10 dB 的弱干擾檢測不到，無法直接監(jiān)測到弱干擾信號.

較弱的干擾會對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機的一些輸出信息造成影響[2-4]，比如自動增益控制(AGC)、C/N0、位置誤差等，利用這些信息可實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航弱干擾檢測.

本文基于接收機輸出的AGC 信息、C/N0以及位置信息實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航弱干擾檢測、壓制干擾和欺騙干擾的識別.

1 受干擾影響分析

1.1 對AGC 的影響

接收機收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信號是淹沒在噪聲中的，衛(wèi)星信號功率起伏不會引起接收機接收到的總功率的波動.然而干擾的功率在噪聲之上，接收機收到的信號總功率將會隨之發(fā)生變化.為了保證ADC 不會發(fā)生飽和，在射頻通道中采用AGC 環(huán)路[5-6]，如圖1所示.

圖1 接收機射頻前端

模擬控制電壓對AGC 的影響為

式中：VAGC為AGC 控制電壓；α 為AGC 增益系數(shù)；β為AGC 控制電壓系數(shù).

AGC 隨著干擾和信號之間的比值J/S的增加而減小，其梯度取決于干擾的類型，單頻連續(xù)波干擾對AGC 增益的影響最大，而帶限白噪聲(WN)對AGC的影響最小[7].圖2顯示了Ublox 接收機的數(shù)字AGC隨著寬帶干擾J/S變化的曲線圖，可以看出，隨著干擾的增大，AGC 逐漸減小.

圖2 AGC 隨J/S 變化曲線

1.2 對C/N0 的影響

C/N0是GNSS 接收機重要的輸出量.C/N0被應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航壓制干擾檢測[8-9]和欺騙干擾檢測[10-11]中.

C/N0的估計是建立在噪聲為WN 的假設(shè)基礎(chǔ)上的，因而可以用噪聲密度來表征，在有干擾的情況下，分析信號與干擾加噪聲比(SINR)十分繁瑣，但可通過一定的轉(zhuǎn)換得到干擾條件下等效的C/N0.

簡化得

式中：CS/N0為接收機未受干擾時的C/N0；Cl/Cs為干擾功率與衛(wèi)星信號功率比；Q為由調(diào)制器和干擾所決定的抗干擾品質(zhì)因數(shù)；Rc為擴頻碼碼速率.

以寬帶干擾為例，存在寬帶干擾時的等效C/N0為

式中：S為無干擾時衛(wèi)星信號功率；I為寬帶干擾功率.

圖3為理論和實際C/N0隨著寬帶干擾J/S變化的曲線圖.

1.3 對位置誤差的影響

如果GNSS 接收機受干擾后仍然能夠捕獲和跟蹤，將會輸出位置信息，但由于影響到偽距的計算，會使得位置的誤差增大，圖4顯示了未受干擾以及在不同干擾功率下的位置信息輸出[12].可以看出，接收機受干擾后，位置偏差會增大，干擾功率越大，位置偏差越大.

圖4 在未干擾和干擾情況下的位置信息輸出

2 弱干擾識別算法

通過以上分析，衛(wèi)星導(dǎo)航弱干擾會對接收機的AGC、C/N0以及位置的輸出會造成影響.弱壓制干擾和欺騙干擾對AGC、C/N0以及位置輸出的影響對比如表1所示.

表1 干擾對 AGC、C/N0 及位置輸出的影響

由表1可知，壓制干擾和欺騙干擾對AGC、C/N0以及位置輸出的影響是不一樣的，本文聯(lián)合利用AGC、C/N0以及位置的輸出實現(xiàn)壓制干擾和欺騙干擾的檢測識別.

AGC、C/N0以及位置的輸出量是和接收機具體的硬件相關(guān)的，為了減弱這些輸出量對硬件的依賴，做如下的處理.

對AGC、C/N0以及位置監(jiān)測量分別在時間序列上進行加窗，如圖5所示，每個窗包含N個采樣值，假設(shè)采樣時間頻率為Ts，則窗的時間長度為NTs.

圖5 對輸出量進行加窗

計算每個變量加窗后的平均值：

式中：n為當(dāng)前采樣序列對應(yīng)的時刻；i為第i個窗；N為每個窗包含的采樣數(shù)；k為每個窗里的第k個采樣；C/N0為所有可見星的C/N0均值；AGC為接收機的AGC 輸出；POS為經(jīng)緯度坐標；為第i個窗的C/N0均值；為第i個窗的AGC均值；表示第i個窗的位置均值.

通過聯(lián)合利用AGC、C/N0以及位置的輸出實現(xiàn)待檢測窗的干擾判別，干擾檢測判別量為

當(dāng)T＞Th(Th為判別閾值)，則判別該檢測窗內(nèi)存在干擾，如果某個檢測窗一旦判別發(fā)生干擾時，式(8)中下一個檢測窗的干擾判別將不與前一個受干擾的檢測窗作為對比，而是與不受干擾的檢測窗進行對比.

利用該方法能夠判別是否存在干擾，但無法對壓制干擾和欺騙干擾進行識別.檢測到干擾后，再進一步對壓制干擾和欺騙干擾進行識別.

記：

通過 ΔC/N0、ΔAGC和 ΔPOS得到壓制干擾和欺騙干擾識別的權(quán)值，從而實現(xiàn)壓制干擾和欺騙干擾的識別.將利用 ΔC/N0判別為壓制干擾和欺騙干擾的權(quán)重記為wj1、ws1，利用 ΔAGC判別為壓制干擾和欺騙干擾的權(quán)重記為wj2、ws2，利用 ΔPOS判別為壓制干擾和欺騙干擾的權(quán)重記為wj3、ws3.

wj1、ws1、wj2、ws2、wj3、ws3的計算分別為：

由于不同的接收機輸出的AGC 的意義不一樣，式(13)中未給出 ΔAGC的閾值，對具體的接收機通過數(shù)據(jù)采集來獲取該閾值.

記判別壓制干擾和欺騙干擾的總權(quán)重分別為wj，ws，由式(12)～(14)可得：

當(dāng)wj≥ws時判別為壓制干擾，當(dāng)wj＜ws時，判別為欺騙干擾.

3 試驗驗證

Ublox NEO-M8N 能夠輸出AGC、C/N0以及位置信息.利用Ublox NEO-M8N 對本文提出的方法進行驗證，搭建的壓制干擾數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖6所示.蘑菇頭天線接收真實衛(wèi)星信號，AV1485 射頻信號發(fā)生器產(chǎn)生壓制干擾，真實衛(wèi)星信號和壓制干擾信號通過合路器輸入到Ublox 接收機處理板，輸出信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C軟件.采集一段沒有加入干擾的數(shù)據(jù)后再加入壓制干擾.調(diào)節(jié)壓制干擾功率，壓制干擾制式等，共采樣了200 條在時間序列上包含無干擾和不同壓制干擾情況下AGC、C/N0及位置信息輸出.

圖6 壓制干擾數(shù)據(jù)采集環(huán)境搭建

搭建的欺騙干擾數(shù)據(jù)采集環(huán)境如圖7示.蘑菇頭天線接收真實衛(wèi)星信號，SPIRENT GSS9000 GNSS Generator 產(chǎn)生欺騙干擾，真實衛(wèi)星信號和欺騙干擾信號通過合路器輸入到Ublox 接收機處理板，輸出信息通過串口傳輸?shù)缴衔粰C軟件.采集一段沒有干擾存在的數(shù)據(jù)后再加入欺騙干擾，調(diào)節(jié)欺騙干擾功率、碼偏移，共采樣了200 條在時間序列上包含無干擾和不同欺騙干擾情況下的AGC、C/N0及位置信息輸出.

圖7 欺騙干擾數(shù)據(jù)采集環(huán)境搭建

隨機抽取100 組包含壓制干擾時的輸出數(shù)據(jù)和100 組包含欺騙干擾時的輸出數(shù)據(jù)以確認檢測閾值Th以及式(13)中的AGC 閾值.剩余的100 條包含壓制干擾的輸出數(shù)據(jù)和100 條包含欺騙干擾的輸出數(shù)據(jù)作為干擾檢測和識別的測試集.測試集中對包含壓制干擾和欺騙干擾的數(shù)據(jù)進行標注.

測試的200 條數(shù)據(jù)同時輸入到本文提出的干擾檢測算法中，經(jīng)過測試，有192 條被判別為了存在干擾，干擾檢測準確率為

檢測出的192 條數(shù)據(jù)與標注好的壓制干擾和欺騙干擾標簽進行對比，其中有95 條數(shù)據(jù)為包含欺騙干擾的輸出數(shù)據(jù)，97 條數(shù)據(jù)為包含壓制干擾的輸出數(shù)據(jù).

將192 條識別出存在干擾的數(shù)據(jù)輸入到本文提出的欺騙干擾和壓制干擾識別算法中，準確識別出的包含欺騙干擾的數(shù)據(jù)共有92 條，準確識別出的包含壓制干擾的數(shù)據(jù)共有90 條，識別準確率為

4 結(jié) 論

要排除GNSS 干擾源，首先要對GNSS 干擾進行檢測、識別和定位.本文提出了利用接收機輸出的AGC、C/N0及位置信息實現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航弱壓制干擾和欺騙干擾的檢測與識別的方法.為減輕這些輸出量對硬件的依賴，對AGC、C/N0以及位置的輸出量進行時間序列上的加窗.對窗之間的三個監(jiān)測量變化的絕對值進行求和，并與設(shè)定的閾值進行對比，實現(xiàn)了干擾的檢測.對窗之間的C/N0、AGC 變化量以及位置誤差的絕對值賦予壓制干擾和欺騙干擾識別的權(quán)重，實現(xiàn)了壓制干擾和欺騙干擾的識別.

通過搭建實際環(huán)境，測取實測數(shù)據(jù)對本文的方法進行測試，測試結(jié)果表明，本文的方法能夠?qū)崿F(xiàn)欺騙干擾和壓制干擾的檢測與識別，檢測準確率能夠達到96%，壓制干擾和欺騙干擾的識別準確率能夠達到94%.